Цемент для бетона: виды, свойства и особенности выбора

состав, применение, основные виды и свойства

Цемент – наиболее распространенный вяжущий компонент, используемый при изготовлении бетонов. Бетонные смеси на основе цемента, песка и крупного заполнителя используются в частном и крупномасштабном домостроении, при строительстве объектов гражданского, производственного, инфраструктурного назначения. Область применения определяется классом прочности бетона и другими техническими параметрами.

Основные характеристики бетонов на основе цементного вяжущего компонента

Технические условия на тяжелые и мелкозернистые бетоны регламентируются ГОСТом 26633-2012. В соответствии с этим нормативом строительный материал классифицируют по:

• назначению – на конструкционный и специальный;
• типу заполнителя – плотного или специального, наиболее распространенные плотные крупные заполнители: гранитный, гравийный, известняковый;
• прочности на сжатие по истечении проектного периода – классы В3,5-В100;
• средней плотности – тяжелый D2000-D2500, мелкозернистый – D1800-D2300;
• морозостойкости – F50-F1000;
• водонепроницаемости – W2-W20.

Области применения цементных бетонов

Для каждой области применения выбирают материал с оптимальными техническими характеристиками.

Конструкционные бетоны

В зависимости от предназначения, применяют материал следующих классов:

• Невысокой прочности, В7,5-В10. Используется для создания подготовительного слоя («подбетонка») при устройстве фундамента. На этот слой укладывают арматурный каркас. Бетонная смесь используется при благоустройстве участка – для заливки дорожек невысокой проходимости, укладки бордюрного камня.
• В15. Используется для заливки бетонных полов, стяжек, дорожек, площадок. В качестве материала для фундамента может применяться только на устойчивых грунтах при строительстве малогабаритных легких сооружений.
• В20-В25. Наиболее популярен для: сооружения фундаментов в малоэтажном строительстве, возведения монолитных стен, изготовления ЖБИ, заливки полов и стяжек.
• В30 и более. Материалы, практически не применяемые в малоэтажном строительстве. Используются при возведении многоэтажных зданий, в мостостроении, для заливки полос аэродромов. Способны выдерживать значительные вертикальные динамические нагрузки.

Специальные бетоны

При производстве этих материалов используют специальные добавки, обеспечивающие возможность сохранять рабочие характеристики в экстремальных условиях.

• Жаростойкие бетоны. Используются при возведении труб ТЭЦ, сооружении металлургических цехов, промышленных печей.
• Гидротехнические. Предназначены для создания плотин, дамб, каналов. Отличаются высокой морозостойкостью и водонепроницаемостью.
• Кислотоустойчивые. В состав входит жидкое стекло. Являются достойной альтернативой керамике и пластинам из свинца. Применяются для создания конструкций, которые будут эксплуатироваться в агрессивных средах.
• Гидратные. Обеспечивают защиту от биофакторов и высокого уровня радиоактивности. Необходимы при строительстве АЭС и предприятий по переработке радиоактивных отходов.

Особенности изготовления бетона

Свойства бетона определяются характеристиками его компонентов, соблюдением технологий изготовления и заливки.

Основные требования к компонентам бетонной смеси

• Цемент. Его необходимо приобретать у проверенных производителей, он должен соответствовать сроку годности.

Внимание! Срок хранения цемента зависит от его марки, типа и габаритов упаковки. Как правило, срок хранения цемента марки 600 – не более трех месяцев, 400 и 500 – 6 месяцев. Хранить этот тип вяжущего необходимо в сухом помещении, при плюсовых температурах и в герметичной упаковке.

В частном строительстве обычно применяют портландцемент марок 400 и 500 с количеством минеральных добавок, не превышающим 20%.

• Мелкий заполнитель – песок. При строительстве фундаментов и других ответственных конструктивных элементов зданий используется только песок, предназначенный для строительных работ и соответствующий ГОСТу 8736-2014. Он может быть речной, очищенный от ила и органики, намывной или сеяный карьерный.
• Крупный заполнитель. Для тяжелых бетонов это гранитный, гравийный, известняковый щебень. В частном строительстве в общем случае оптимальным вариантом является гравийный щебень, для которого характерно сочетание достойных технических характеристик и доступной стоимости.
• Вода. Рекомендуется брать воду из водопровода питьевого назначения или отдавать ее на анализ в лабораторию на предмет наличия в ней примесей, негативно влияющих на качество конечного продукта.

Пропорции компонентов зависят от марки цемента и требуемого класса прочности бетона.

Чем отличается цемент от бетона?

Часто в разговорной речи можно услышать глагол «зацементировать», например, заказчики просят у подрядчика «залить цементом» площадку перед домом, отмостку или въезд в гараж. У людей без строительного опыта формируется представление, что эти работы выполняются при помощи цемента, а слова «штукатурка» и «бетон» часто воспринимаются как синонимы. В этой статье мы постараемся объяснить разницу между цементом и бетоном и подробно разберем их состав.

Что такое цемент?

Под словом «цемент» часто понимают мелкодисперсный минеральный порошок, который служит основой для вяжущих растворов. На самом деле это понятие шире, в него входят разнообразные варианты этого материала на основе извести и глины. Современный цемент правильнее называть портландцемент. Он был изобретен только в середине XIX века, с химической точки зрения основными его компонентами являются оксид кальция (CaO), оксид алюминия (Al2O3) и оксид кремния (SiO2). Промежуточный продукт, портландцементный клинкер, составляет 95%, еще 5% приходится на гипс, эта добавка стабилизирует схватывание и позволяет работать с раствором дольше.

Сырье для цемента сильно измельчают, чтобы снизить удельную площадь. Это увеличивает скорость химической реакции и дает возможность вяжущему занимать пустоты между заполнителем.

Цемент – относится к кристаллогидратам, при попадании воды в сухой минеральный порошок получается жидкий раствор, который со временем твердеет. Этот процесс называется гидратация – молекулы цемента присоединяют молекулы воды. На первом этапе происходит гидратация алюминатов, что приводит к формированию кристаллических решеток, в рабочем процессе этот этап называют схватыванием. Затем начинается набор прочности, который идет из-за образования гидросиликатов кальция (Ca(OH)2).

Не вся вода успевает прореагировать с цементом, часть просто испаряется. На этапесамовысушивания происходит формирование цементного камня и усадка. Остаточная жидкость еще долго испаряется из материала, что может приводить к деформациям и трещинам. Именно поэтому в строительстве цемент в чистом виде не применяется.

Чтобы снизить трещинообразование и компенсировать усадку, цемент соединяют с инертными заполнителями. В смесях для кладки и штукатурки в этой роли выступает песок, в бетонах – песок и щебень. Заполнители формируют своеобразный каркас, который объединяется цементным раствором в единый камень. Они не участвуют в химических реакциях, так как их гранулы слишком велики, но увеличивают прочность конечного изделия.

Классификация цементов

По старому ГОСТу 10178 – 85 цемент маркировался буквенным сочетанием

Марка обозначает среднюю прочность, которая измеряется в кг на м.

• ЦЕМ 1 – цемент без добавок, соответствует классу прочности B 22,5
• ЦЕМ 2 – портландцемент с активными минеральными добавками. Этот продукт подразделяется на подтипы в зависимости от доли дополнительного компонента: А – 6 – 20%, В – 21 – 35%. Дополнительно буквой обозначается добавка: Ш – шлак, И – известь, МК – микрокремнезем. Класс – B32,5
• ЦЕМ3 – шлакопортландцемент имеет класс В 42,5 и один подтип А – доля шлака 36 – 65%.

ЦЕМ4 (пуццолановый) и ЦЕМ5 (композитный) встречаются реже и не используются в частном строительстве. В конце маркировки ставят буквы Н или Б: Б – быстротвердеющий или Н – нормальнотвердеющий. Запись будет выглядеть следующим образом: ЦЕМ2/В-Ш

Что такое бетон?

Бетон – это композитный материал, прочность которого обеспечивается плотным контактом зерен заполнителя. Цементно-песчаная смесь имеет двухфазную структуру, бетон – трехфазную. Крупный щебень формирует общий каркас, более мелкий песок заполняет пустоты между ним, а пространство между песчинками занимает цемент. Такая внутренняя структура позволяет получать высокопрочные конструкции. После смешивания компонентов получается бетонный раствор. От марки цемента и соотношения других ингредиентов зависит конечная прочность изделия после застывания. Рецептуру обычно подбирают в зависимости от строительных задач.

Марка цемента определяется в зависимости от проектируемой марки бетона. Рекомендуется брать на 100 – 200 кг/м.кв больше, но не следует допускать большого разрыва. Регламентируется минимальный расход цемента на кубометр бетона (200 кг), так как первый выступает не только в роли вяжущего, но и в качестве мелкодисперсного заполнителя. Если для получения бетонного раствора М200 используется цемент М500, то его количество в смеси будет меньше 200 кг на м.куб.

Удобоукладываемость — по этому параметру составы подразделяют на подвижные, жесткие и литые. В частном строительстве в подавляющем большинстве случаев используют первую разновидность. Жесткие чаще применяют на заводах, а литые – в качестве самоуплотняющихся смесей. При проектировании сразу закладывают нужную подвижность раствора (П1, П2, П3 или П4).

Водоцементное соотношение (В/Ц) – один из главных параметров бетона, служит для определения прочности и подвижности будущего раствора. Для полной гидратации нужно 18% воды от массы цемента. На практике эти значения часто превышают, чтобы добиться нужной подвижности смеси. Избыток воды приводит к тому, что влага не успевает прореагировать с цементом и начинает испаряться. Следствием этого является появление пор в теле бетонной конструкции и снижение ее прочности.

Пластификатор – в современном строительстве присутствует почти всегда, компонент помогает сбалансировать количество воды. Обладает водоредуцирующим эффектом — это уменьшение количества затворяемой воды без потери удобоукладываемости смеси. Доля пластификатора в бетонной смеси составляет 0,1 – 1,5%. В зависимости от состава добавки водоредуцирующий эффект составляет от 10 до 30%.

Щебень относится к инертным заполнителям, занимает от 70 до 95% в бетонном растворе (1000 – 1300 кг/м.куб). В качестве заполнителя иногда используют гравий, но из-за рваных краев гранул для такой смеси потребуется больше воды.

Песок подбирается в последнюю очередь, он должен занимать весь оставшийся объем смеси. Изменением соотношения песка и щебня можно добиться удешевления смеси в зависимости от региональных особенностей рынка строительных материалов.  

При самостоятельном приготовлении бетонного раствора важно учитывать изначальную влажность заполнителей. Если цемент обычно сухой, то песок и щебень лежат под открытым небом, поэтому несут в себе влагу. 

Для заливки массивных строительных конструкций, таких как фундамент, перекрытия или несущие колонны бетон заказывают с завода. При этом необходимо обеспечить подъезд крупногабаритной бетоносмесительной техники на объект. При малых объемах работ можно обойтись готовым составом от компании Bronit.

Предварительно напряженный бетон

Хотя предварительно напряженный бетон был запатентован инженером из Сан-Франциско в 1886 году, он стал признанным строительным материалом лишь полвека спустя. Нехватка стали в Европе после Второй мировой войны в сочетании с технологическими достижениями в области высокопрочного бетона и стали сделали предварительно напряженный бетон предпочтительным строительным материалом во время послевоенной реконструкции Европы. Однако первая в Северной Америке конструкция из предварительно напряженного бетона, Мемориальный мост Уолнат-лейн в Филадельфии, штат Пенсильвания, была завершена только в 1951.

В обычном железобетоне высокая прочность стали на растяжение сочетается с большой прочностью бетона на сжатие, образуя конструкционный материал, прочный как на сжатие, так и на растяжение. Принцип предварительно напряженного бетона заключается в том, что сжимающие напряжения, вызванные высокопрочными стальными арматурами в бетонном элементе до приложения нагрузок, уравновешивают растягивающие напряжения, возникающие в элементе во время эксплуатации.

Предварительное напряжение устраняет ряд конструктивных ограничений, накладываемых обычным бетоном на пролет и нагрузку, и позволяет строить крыши, полы, мосты и стены с более длинными пролетами без опоры. Это позволяет архитекторам и инженерам проектировать и строить более легкие и неглубокие бетонные конструкции без ущерба для прочности.

Принцип предварительного напряжения применяется при перемещении ряда книг с места на место. Вместо того, чтобы складывать книги вертикально и нести их, книги можно перемещать в горизонтальном положении, оказывая давление на книги в конце ряда. При приложении достаточного давления во всем ряду возникают сжимающие напряжения, и весь ряд можно одновременно поднять и переместить горизонтально.

Сжимающие напряжения возникают в предварительно напряженном бетоне путем предварительного или последующего натяжения стальной арматуры.

При предварительном натяжении сталь растягивается перед укладкой бетона. Напряжения из высокопрочной стали помещаются между двумя опорами и растягиваются до 70–80 % их предельной прочности. Бетон заливают в формы вокруг сухожилий и дают затвердеть. Как только бетон достигает необходимой прочности, силы растяжения снимаются. Когда сталь восстанавливает свою первоначальную длину, растягивающие напряжения преобразуются в сжимающие напряжения в бетоне. Типичными продуктами для предварительно напряженного бетона являются кровельные плиты, сваи, столбы, мостовые балки, стеновые панели и железнодорожные шпалы.

При последующем натяжении сталь растягивается после затвердевания бетона. Бетон заливают вокруг, но не соприкасаются с нерастянутой сталью. Во многих случаях каналы формируются в бетонном блоке с использованием тонкостенных стальных опалубок. Как только бетон затвердеет до требуемой прочности, стальные арматуры вставляются и натягиваются на концы блока и закрепляются снаружи, вызывая сжатие бетона. Бетон с последующим натяжением используется для монолитного бетона, а также для мостов, больших балок, плит перекрытий, оболочек, крыш и тротуаров.

Предварительно напряженный бетон получил наибольшее распространение в сфере коммерческих зданий. Для таких зданий, как торговые центры, предварительно напряженный бетон является идеальным выбором, поскольку он обеспечивает длину пролета, необходимую для гибкости и изменения внутренней конструкции. Предварительно напряженный бетон также используется в школьных аудиториях, спортзалах и столовых из-за его акустических свойств и способности создавать длинные открытые пространства. Одним из наиболее распространенных применений предварительно напряженного бетона являются гаражи.

Для получения дополнительной информации о предварительно напряженном бетоне нажмите здесь.

Объяснение: Цемент и бетон — их различия и возможности для устойчивого развития | MIT News

Обычный человек многого не знает о бетоне. Например, он пористый; это самый используемый материал в мире после воды; и, возможно, самое главное, это не цемент.

Хотя многие используют термины «цемент» и «бетон» взаимозаменяемо, на самом деле они относятся к двум разным, но родственным материалам: Бетон представляет собой композит, изготовленный из нескольких материалов, одним из которых является цемент.

Производство цемента начинается с известняка, осадочной породы. После добычи его смешивают с источником кремнезема, таким как промышленный шлак или летучая зола, и обжигают в печи при температуре 2700 градусов по Фаренгейту. То, что выходит из печи, называется клинкером. Цементные заводы измельчают клинкер до очень мелкого порошка и смешивают с несколькими добавками. Конечным результатом является цемент.

«Затем цемент доставляется на участки, где он смешивается с водой, где он превращается в цементную пасту», — объясняет профессор Франц-Йозеф Ульм, заведующий кафедрой Центра устойчивого развития бетона Массачусетского технологического института (CSHub). «Если вы добавите песок в эту пасту, она станет известковым раствором. А если в раствор добавить крупные заполнители — камни диаметром до дюйма, — он станет бетонным».

Что делает бетон таким прочным, так это химическая реакция, происходящая при смешивании цемента и воды — процесс, известный как гидратация.

«Гидратация происходит, когда цемент и вода реагируют», — говорит Ульм. «Во время гидратации клинкер растворяется в кальции и рекомбинирует с водой и кремнеземом с образованием гидратов кальция и кремнезема».

Гидраты кремнезема кальция, или CSH, являются ключом к прочности цемента. По мере формирования они объединяются, образуя прочные связи, которые придают материалу прочность. У этих соединений есть удивительный побочный продукт — они делают цемент невероятно пористым.

В промежутках между связями CSH развиваются крошечные поры — в масштабе 3 нанометров. Они известны как гелевые поры. Кроме того, любая вода, которая не прореагировала с образованием CSH во время процесса гидратации, остается в цементе, создавая еще один набор более крупных пор, называемых капиллярными порами.

Согласно исследованиям, проведенным CSHub, Национальным центром научных исследований Франции и Университетом Экс-Марселя, цементное тесто настолько пористое, что 96 процентов его пор связаны между собой.

Несмотря на эту пористость, цемент обладает превосходными прочностными и вяжущими свойствами. Конечно, уменьшая пористость, можно получить более плотный и прочный конечный продукт.

Начиная с 1980-х годов инженеры разработали материал — высокопрочный бетон (HPC), — который сделал именно это.

« Бетон с высокими эксплуатационными характеристиками, разработанный в 1980-х годах, когда люди поняли, что количество капиллярных пор можно частично уменьшить, уменьшив водоцементное отношение», — говорит Ульм. «С добавлением определенных ингредиентов это создало больше CSH и уменьшило количество воды, оставшейся после гидратации. По сути, это уменьшило большие поры, заполненные водой, и увеличило прочность материала».

Конечно, отмечает Ульм, снижение отношения воды к цементу для HPC также требует большего количества цемента. И в зависимости от того, как производится этот цемент, это может увеличить воздействие материала на окружающую среду. Частично это связано с тем, что когда карбонат кальция обжигают в печи для производства обычного цемента, происходит химическая реакция, в результате которой образуется двуокись углерода (CO ₂ ).

Еще одним источником выбросов CO ₂ от цемента является нагревание цементных печей. Этот нагрев должен осуществляться с использованием ископаемого топлива из-за чрезвычайно высоких температур, необходимых в печи (2700 F). Электрификация печей изучается, но в настоящее время это технически и экономически нецелесообразно.

Поскольку бетон является самым популярным материалом в мире, а цемент является основным связующим веществом, используемым в бетоне, эти два источника CO ₂ являются основной причиной того, что на долю цемента приходится около 8 процентов глобальных выбросов .

Исполнительный директор CSHub Джереми Грегори, однако, рассматривает масштаб бетона как возможность смягчить последствия изменения климата.

«Бетон является наиболее часто используемым строительным материалом в мире. И поскольку мы используем так много его, любое сокращение его воздействия окажет большое влияние на глобальные выбросы».

Многие из технологий, необходимых для уменьшения воздействия бетона, существуют сегодня, отмечает он.

«Что касается сокращения выбросов при производстве цемента, мы можем повысить эффективность цементных печей, увеличив использование отходов в качестве источников энергии, а не ископаемого топлива», — объясняет Грегори.

«Мы также можем использовать смешанные цементы с меньшим содержанием клинкера, такие как портландцемент из известняка, который смешивается с ненагретым известняком на заключительном этапе измельчения при производстве цемента. Последнее, что мы можем сделать, — это улавливать и хранить или использовать углерод, выделяемый при производстве цемента».

Улавливание, утилизация и хранение углерода обладают значительным потенциалом для снижения воздействия цемента и бетона на окружающую среду при одновременном создании больших рыночных возможностей. По данным Центра климатических и энергетических решений, объем использования углерода в бетоне к 2030 году составит 400 миллиардов долларов на мировом рынке. последовательно изолировать CO ₂ в процессе производства.

«Однако ясно, — говорит Грегори, — что в низкоуглеродистых бетонных смесях придется использовать многие из этих стратегий. Это означает, что нам нужно переосмыслить то, как мы разрабатываем наши бетонные смеси».

В настоящее время точные спецификации бетонных смесей прописываются заранее. Хотя это снижает риск для разработчиков, это также препятствует инновационным смесям, которые снижают выбросы.

В качестве решения Грегори рекомендует указывать производительность микса, а не его ингредиенты.

«Многие нормативные требования ограничивают возможность улучшения воздействия бетона на окружающую среду, например, ограничения на водоцементное отношение и использование отходов в смеси», — объясняет он. «Переход к спецификациям, основанным на производительности, является ключевым методом для поощрения большего количества инноваций и достижения целей по затратам и воздействию на окружающую среду».

По словам Грегори, для этого требуется культурный сдвиг. Чтобы перейти к спецификациям, основанным на характеристиках, многочисленным заинтересованным сторонам, таким как архитекторы, инженеры и спецификаторы, придется сотрудничать, чтобы разработать оптимальное сочетание для своего проекта, а не полагаться на заранее разработанное сочетание.

Чтобы поощрить других водителей низкоуглеродистого бетона, говорит Грегори, «мы [также] должны устранить барьеры риска и стоимости. Мы можем снизить риск, попросив производителей сообщать о воздействии своей продукции на окружающую среду и включив спецификации, основанные на характеристиках. Чтобы снизить затраты, нам необходимо поддержать разработку и внедрение технологий улавливания углерода и низкоуглеродных технологий».

В то время как инновации могут уменьшить первоначальные выбросы бетона, бетон также может уменьшить выбросы другими способами.

Одним из способов является его использование. Применение бетона в зданиях и инфраструктуре может со временем снизить выбросы парниковых газов. Бетонные здания, например, могут иметь высокую энергоэффективность, а поверхность и структурные свойства бетонных покрытий позволяют автомобилям потреблять меньше топлива.

Бетон также может уменьшить часть своего первоначального воздействия за счет воздействия воздуха.

«Бетон уникален тем, что он фактически поглощает углерод в течение своей жизни в ходе естественного химического процесса, называемого карбонизацией», — говорит Грегори.

Карбонизация бетона происходит постепенно, так как CO ₂ на воздухе вступает в реакцию с цементом с образованием воды и карбоната кальция. В статье 2016 года в Nature Geoscience было обнаружено, что с 1930 года карбонизация бетона компенсировала 43 процента выбросов в результате химического преобразования карбоната кальция в клинкер во время производства цемента.

Карбонизация, однако, имеет недостаток. Это может привести к коррозии стальной арматуры, часто укладываемой в бетон. В будущем инженеры могут стремиться максимизировать поглощение углерода в процессе карбонизации, а также свести к минимуму проблемы с долговечностью, которые он может создать.